© "Семь искусств"
  январь 2018 года

Борис Штерн: Прорыв за край мира

Кроме объяснения структуры Вселенной инфляция дает ключ к пониманию ее происхождения. Теперь мы можем довольно четко ответить на часто задаваемый вопрос «что было до Большого взрыва?». Правильный ответ — была космологическая инфляция. Именно благодаря ей Вселенная и возникла. А что было до инфляции?

Борис Штерн

Прорыв за край мира

(окончание. Начало в №4/2017 и сл.)

Борис Штерн

 Как за полчаса изменился мир (Интервью с Андреем Линде)

Пожалуй, текст, приведенный ниже можно назвать скорее рассказом, чем интервью. У автора были заготовлены вопросы, но Андрей регулярно предвосхищал их — оставалось только слушать и запоминать.

Борис Штерн — Начнем с истории. Когда вам стало ясно, что теория инфляции — это и есть самый главный ответ на главные вопросы космологии?

Андрей Линде — Пожалуй, это было растянуто по времени, лучше изложить цепь событий. Мы ходили вокруг да около еще в 1976 году, когда с Давидом Абрамовичем Киржницем занимались фазовым переходом по электрослабому взаимодействию. Мы видели, что Вселенная может застрять в переохлажденном состоянии, когда в плотности энергии надо всем доминирует поле типа полей Хиггса, причем застрять надолго. Это как раз то, что потом стало базой для первых инфляционных моделей, но у нас тогда были совсем другие задачи — в этом направлении мы совсем не думали. Мы скорей думали о том, как из этого получить нужную энтропию, как объяснить с помощью переохлаждения барионную асимметрию (напомним, барионная асимметрия требует нарушения теплового равновесия, что и дает фазовый переход с переохлаждением — прим. БШ). На эту тему у нас была работа с Геной Чибисовым в 1978 году — у нас там тоже сталкивались пузыри новой фазы, как и в сценарии Гуса (фамилию Guth в русской речи произносят и как Гут, и как Гус, поскольку адекватного произношения для Guth в русском не существует — автор придерживается произношения собеседника — БШ). Но у нас не было идеи посмотреть, как фазовый переход влияет на динамику Вселенной — нас интересовало рождение барионов.

 Первое самосогласованное описание того, как может возникнуть мир де-Ситтера, появилось в 1980 году в работе Алексея Старобинского. Это была блестящая работа, в России она оживленно обсуждалось на семинарах и конференциях. Помню, Сахаров находился в состоянии радостного возбуждения по поводу работы Алексея. Но было одно обстоятельство, которое меня озадачивало. Ранняя Вселенная, описывающаяся в его модели решением де-Ситтера, была не сингулярной — ее история могла быть неограниченно продолжена назад во времени, минуя состояние бесконечной плотности. Но мир де-Ситтера вместе с тем оказывался нестабильным, и эта нестабильность делала такое предположение невозможным. Кроме того, Алексей в своей работе писал следующее: «Наш сценарий прямо противоположен Мизнеровскому изначальному хаосу» Это противоречило основной идее инфляционной космологии: нужно описать, как Вселенная стала такой «хорошей», стартовав с чего угодно. Это есть и в сценарии Гуса и во всех последующих. А у Алексея наоборот — Вселенная начинается с «хорошего» чистого состояния, с мира де-Ситтера, а потом уже с ней происходят всякие пертурбации.

 Но эти проблемы были исправимы. Вскоре вышла провидческая работа Зельдовича, где он предлагает трактовать модель Старобинского как сценарий рождения Вселенной из ничего. Потом это формализовал Саша Виленкин. Затем, в 1983, после выхода моей статьи о хаотической инфляции, Алексей модифицировал свою модель на подобной основе, и его модель стала частью более стандартного подхода к инфляционной космологии.

 Несмотря на бытовавшие в то время сомнения, Слава Муханов и Гена Чибисов, решили отодвинуть в сторону все эти проблемы, взять модель Старобинского и посмотреть, как будут вести себя в ней квантовые флуктуации метрики — какой спектр возмущений они дадут. Ранее самой популярной гипотезой был плоский спектр Гаррисона — Зельдовича, однако он был взят с потолка, просто, чтобы объяснить данные по крупномасштабной структуре Вселенной. Муханов и Чибисов обнаружили, что из модели Старобинского в первом приближении получался именно такой спектр. Они также рассчитали отклонение от плоского спектра — он на самом деле логарифмический, и сейчас именно это видно по данным WMAP и «Планка».

 Из работы Муханова с Чибисовым следовало, что галактики и их скопления — не что иное, как бывшие квантовые возмущения, сначала растянутые инфляцией, а потом усилившиеся из-за гравитационной неустойчивости. Поначалу такое утверждение вызвало массовое неприятие: как огромный классический объект может появиться в результате квантовых процессов?! Сейчас это общее место.

 В то время многие стали задаваться вопросом, как получить большую однородную Вселенную, но все сталкивались с какими-то проблемами. Я попал на семинар Рубакова — они пытались объяснить, почему Вселенная большая и плоская исходя из модели Колемана-Вайнберга. Но из этого ничего не получилось. Когда мне позвонил Лев Борисович Окунь и сказал про работу Гуса — я сразу объяснил, почему это работать не будет — мы уже имели дело с распадом переохлажденного скалярного поля. Вообще то время запомнилось ужасным эмоциональным состоянием — чувствовалось, что ответ близок, но все что-то не клеилось.

 В модели Старобинского чего-то не хватало в ее начале, на старте.

 Модель Гуса очень хорошо обоснована, но не работает в ее конечной стадии. Успех работы Гуса связан не с тем, что он ездил и всюду ее рассказывал. Ему удалось зажечь аудиторию ясной подробной аргументацией — через всю статью проходит чистая линия мысли. После его статьи все стало прозрачным, несмотря на то, что проблема в целом еще не была решена. Зельдович вынужден был сказать: «Мы прошляпили инфляцию!».

 Кстати, в Америке широкое общественное мнение насчет инфляции так и застряло в 1981 году. Согласно популярным статьям и учебникам Алан Гус — единственный герой новой космологической парадигмы. Но он сам нашел, что его теория не работает, а год спустя подтвердил этот вывод.

 БШ — Новый сценарий возник на следующий год?

 АЛ — Да, очень скоро. Игорь Ткачев уже отчасти рассказал про то, над чем я бился в то время. Действительно, я пытался понять, куда происходит туннельный переход скалярного поля в сценарии Гуса, при этом пришлось использовать компьютер, с которым я не был дружен. Получилось, что иногда поле перескакивает под барьером почти по горизонтали — то есть оказывается высоко на склоне потенциала. А дальше — проще: оно медленно скатывается вниз по склону (соответствующее уравнение было известно больше сотни лет назад — это уравнение гармонического осциллятора с вязким трением), и пока оно скатывается, пузырек за счет экспоненциального раздувания успевает вырасти в целую вселенную! Но тогда зачем вообще нужен барьер? Пусть поле просто скатывается с пологой вершины… Показалось, что я на правильном пути.

 Это было в начале лета 1981 года, поздним июньским вечером. Семья уже спала. Я взял телефон и забрался с ним в ванную комнату, чтобы не будить детей, позвонить Рубакову и спросить его, что он думает по этому поводу (есть люди, с которыми нельзя делиться идеями, а есть те, с которыми можно без всяких опасений). Валера ответил, что слышит про такой сценарий впервые, и сам над этим не думал. Я рассудил, что если он до этого не додумался, то скорей всего не додумался никто, и надо действовать срочно. Разбудил жену и обсудил с ней все это. (Жена Андрея — Рената Каллош, известный физик-теоретик, работающий в области теории струн — прим. БШ.) Очень быстро написал статью, отправил в Главлит (Главлит — это не журнал, как могут подумать некоторые молодые читатели — это советский цензурный орган, миновать который, находясь в России было невозможно. Типичное время прохождения составляло 2 — 3 месяца, иногда дольше. — Прим. БШ), но разрешение на публикацию пришло только через несколько месяцев в октябре 1981 г. В то время в ГАИШе проходила конференция, на которую приехал Стивен Хоукинг. Меня попросили переводить на русский его доклад. Выглядело это так: Хоукинг произносил слово, которое могли разобрать только хорошо знающие его люди. Это слово «переводил» на английский его аспирант. А потом я переводил это слово на русский. Это стало удручающим, и я стал забегать вперед, экстраполируя речь докладчика. Хоукинг доказывал, что модель Гуса спасти нельзя. Он сказал, что у Линде была замечательная идея, как это сделать, но она не работает, и оставшуюся часть доклада я переводил аргументы, почему моя идея работать не может. В более глупом состоянии я никогда не находился: в зале сидели лучшие физики Москвы от которых зависело мое будущее, а я при них публично себя ругал.

 После доклада я сказал Хоукингу, что не согласен с его аргументацией и около двух часов объяснял ему, почему моя идея все-таки должна работать. Он внимательно слушал и время от времени произносил «О!», и его студент переводил: «Но вы же раньше о этом не говорили!». Вскоре Хоукига хватились перепуганные организаторы конференции. Пропажа иностранца, да еще знаменитого — это было ужасно! В конце концов нас нашли в аудитории около доски, видимо, испытав огромное облегчение.

 После этого Хоукинг пригласил меня к себе в отель. Дискуссия продолжалась, затем он стал показывать фотографии своей семьи и пригласил меня на конференцию в Кембридже, которая в основном была посвящена моему сценарию. Туда поехало несколько человек из России, включая нас со Старобинским. В ходе конференции мы поняли, что новый инфляционный сценарий, который я придумал в 1981 году, нужно менять.

 БШ — Пока шла речь о новой инфляции. Как возникла хаотическая?

 АЛ — С новой инфляцией была проблема: предполагалось, что инфлатонное поле, ответственное за раздувание Вселенной, сначала должно прийти в термодинамическое равновесие, чтобы оказаться в нуле — на вершине холма, но времени на это оказывалось очень мало. А если поле не успело термализоваться и находится где-нибудь на склоне потенциала? Написал уравнения — увидел простое решение: поле все равно успевает раздуть вселенную, если потенциал достаточно полог, и путь вниз достаточно длинный. Вроде можно обойтись и без термализации. Но в этом была психологическая проблема: Вселенная должна быть горячей изначально — к этому все привыкли! Идея горячей Вселенной была всем близка, и отказаться от нее было очень трудно.

 Логика хаотической инфляции была такая: давайте не пытаться решить сразу все вопросы. Предположим, что у Природы есть выбор — с чего начать. И если Природа пробует разные варианты, то наверняка и те, для которых простые уравнения показывают вход в режим инфляции.

 Большая часть людей была полностью перпендикулярна этой идее. Тут уже речь идет не о логике, а о психологии, или даже о социальном эффекте. Люди долго и упорно занимались горячей Вселенной, потратили на это массу времени и сил. И тут им кто-то пытается сказать, что это все напрасно, что все работает совершенно по-другому. Первая естественная реакция в таком случае — отправить проспаться того, кто какое говорит. Это все равно, что ломают твой дом, который ты обжил.

БШ — Ну сейчас-то эта главная идея стала общим местом.

АЛ — Сейчас — да, общее место, но тогда это был болезненный перелом. До сих пор большинство учебников, говоря об инфляции, преподносят старую версию, базирующуюся на сценарии Гуса и на моей «новой инфляции». Многие так и не поняли, что эти две идеи умерли 30 лет назад и были заменены идеей хаотической инфляции, которую я предложил в 1983 году.

Еще более трудный перелом я пережил в 1986 году.

БШ — Вечная инфляция?

АЛ — Да. Она открывалась мучительно. Зато очень четко запечатлелся миг узнавания.

 Первые проблески вечной инфляции появились еще на уровне модели Гуса, но там это был недостаток. Затем Стейнхардт обратил внимание, что в новой инфляции это тоже имеет место. Тут же я выпустил препринт, где утверждал, что это как раз очень интересно: все время, пока инфляция продолжается, возникают новые вселенные с разными свойствами. Тоже самое относилось и к случаю новой инфляции. Это был 1982 год.

 В 1983 году Саша Виленкин сделал более элегантную работу на ту же тему. Он показал, что даже если поле где-то сползло с центрального бугра — квантовые флуктуации могут забросить его назад и инфляция продолжится.

 Ну а в 1986 году произошел момент кристаллизации: то же самое можно сделать и в рамках хаотической инфляции! Поначалу это казалось безумием — то же самое, постоянный заброс поля наверх, может происходить и на склоне потенциала! Причем это откровение, произошло в момент тяжелейшего душевного кризиса.

 Тогда уже началась горбачевская перестройка и среди прочего — перестройка Главлита с целью упрощения. Но старую систему закрыли, а с новой протянули целый год, и в этот год мы не могли публиковать статьи. Это было тяжелым ударом. К тому же я писал книгу, и она плохо шла — все время приходилось что-то переписывать, а в тогда приходилось все делать на бумаге с ножницами и клеем — менять листы, переклеивать ссылки, что выбивает из колеи. В довершение, я учился водить машину, а в том возрасте моторика уже не та, что в юности. И когда я в очередной раз загонял машину в сугроб, инструктора орали на меня матом. В результате я пребывал в очень плохом виде, чувствовал себя ужасно, без сил. Ничего не мог делать — валялся на диване и читал детективы.

 В это время вдруг позвонили из ФИАНа — надо ехать в Италию со странной миссией — читать популярные лекции в рамках каких-то договоренностей. Причем лекции — по астрономии, что не является моей основной специальностью. В то время действовал негласный лимит — одна поездка за границу в год. Жаль было тратить этот шанс на такое. Решил отвертеться по болезни, тем более, что действительно чувствовал себя совершенно больным. В конце концов, справку о том, что я болен, подписал Гинзбург.

 Однако, вскоре раздался еще один звонок. Мне было сказано: если вы больны сегодня и не способны выздороветь к моменту поездки, то может быть вы вообще не в состоянии ездить за границу? Я понял, что дело серьезно. Встал, взял такси, что было в то время для меня ответственным финансовым решением, поехал в поликлинику и пройдя за день всех врачей получил справку, что я абсолютно здоров (тогда для выезда за границу требовалась справка о здоровье, причем медосмотр был на порядок серьезней, чем нынешний для права на вождение — прим. БШ). После этого я два дня отлеживался, потом встал и за день оформил все бумаги, на что обычно уходил месяц или два. Мне позвонили опять и сказали, что итальянцы хотели бы видеть текст моих лекций. — Когда? — Завтра!

 Все это выглядело безумием. Но мне пришло в голову, что в этом есть хорошая сторона. В течение года я ничего не мог ничего из своих работ опубликовать за границей, а сейчас если я что-нибудь интересное сделаю, они пошлют мою работу сами без всякого Главлита дипломатической почтой. Глупо эту возможность упускать, но и старое печатать незачем. Что я могу придумать нового за полчаса, чтобы тут же напечатать и завтра отправить? Я обхватил голову руками и стал раскачиваться из стороны в сторону: что я могу придумать за полчаса?

 И через полчаса у меня была теория вечной хаотической инфляции. Это было одним из самых сильных эмоциональных потрясений моей жизни. Конечно напечатать это за один вечер у меня уже не было сил, но через месяц, уезжая в Италию, я вез с собой три новых работы на эту тему, которые я отправил оттуда в три разных журнала

 Так, вероятно, и бывает в жизни: когда судьба скручивает человека, сжимает его как пружину, если он при этом не ломается, то потом распрямляется с той же силой.

 Сначала это показалось невероятным: поле-инфлатон за счет квантовых флуктуаций при достаточно общих предположениях способно скакать вверх по склону потенциала — вплоть до планковских значений плотности энергии. Когда потенциал достигает значений близких к плановскому, возбуждаются большие флуктуации всех остальных полей. А это значит, что вакуум может перестроиться — поле снова покатится вниз, раздувая пространство уже с другим вакуумом, с другими законами физики. Как будто повязка с глаз спала! — Мир изменился, и это был шок.

 Я понял, что должен заново переписать книжку, над которой работал. В статье я написал — не надо пытаться объяснять, почему мир именно таков, каким мы его видим. Когда-то Эйнштейн настаивал именно на таком подходе: нужно объяснить, почему законы физики и физические константы именно такие, какие есть, а другого не может быть. Но мир не единственен и набор законов природы тоже. Они таковы, потому что мы можем жить только там, где законы нам позволяют жить. Рыба может жить только в воде. Мы — только на суше под слоем атмосферы — и так далее. Надо объяснять, совсем другое: как образуется много разных частей Вселенной (или разных вселенных) с разной физикой, чтобы в каких-то из них могли жить мы или кто-то еще.

 БШ — Это было более четверти века назад. С тех пор кое-что изменилось, в том числе открыто ускоренное расширение Вселенной, которое можно назвать современной демонстрацией того, что механизм работает. Данные WMAP и «Планка» льют воду на ту же мельницу. Насколько вообще космологическая инфляция утвердилась в общественном сознании, и есть ли конкурентоспособные альтернативы?

 АЛ — Как сказал Черчилль: «Демократия — худшая форма правления, за исключением всех остальных, которые пробовались время от времени». Конечно, в теории инфляции есть проблемы. И конечно очень важно исследовать все возможные альтернативы — только после этого можно быть уверенным в теории. Очень интересно, если удастся найти нечто разумное. Вопрос, как исследуются альтернативы. Если человек делает это честно, как, например, Валера Рубаков, это очень полезная деятельность. А если человек просто делает карьеру на альтернативных теориях, это порой выглядит удручающе. Например, люди, занимающиеся альтернативными теориями, говорят: «Мы уже все решили». Им указывают на конкретные ошибки. Через год они, слегка подправив модель, говорят: «Мы опять уже все решили». И так далее. Самое плохое в этом то, что таким образом отвращается от науки молодежь — наблюдая подобный цирк легко прийти к заключению, что вся наука такова. Получается так, что одни занимаются физикой, другие — обустройством социальной ниши.

 Конечно же, нельзя исключить, что вдруг появится нечто, более мощное, чем теория инфляции. В этом случае я был бы первым, кто это приветствовал. И уж точно, лучше не отсиживаться в кустах, подобно Остапу Бендеру, когда их догнал настоящий автопробег. Я бы чувствовал себя в подобной позиции отвратительно! Но пока на горизонте не видно ничего, чтобы могло составить реальную конкуренцию. Кстати, еще один важный момент. В отличие от альтернативных моделей, в теории инфляции не важно, через что проходит Вселенная, перед тем, как раздуться. Это может быть стадия сжатия некой предшествующей вселенной. Это может быть обычная космологическая сингулярность — инфляция стартует от состояния близкого к планковскому независимо от того, откуда последнее взялось.

 Естественно, в теории есть неясные места. Никакая версия инфляции не идеальна. Основные проблемы начинаются при приближении к самому началу — к планковским масштабам. Но эти проблемы носят общий характер — как сшить гравитацию с квантовой механикой? Какова роль теории струн? Мы привыкли работать в классическом времени, а как с ним работать в условиях квантовой гравитации в режиме, когда все часы и линейки немедленно ломаются, и говорить о «времени», когда роилась Вселенная становится трудно?

БШ — Наконец, благодаря WMAP и «Планку» дошло дело до того, что данные позволяют выбирать между разными версиями инфляции. Найдут ли все-таки гравитационные волны и на каком уровне?

АЛ — Не так давно делались ставки, что отношение амплитуды гравитационных волн к амплитуде скалярных возмущений, обозначаемое как r, будет найдено на уровне 15 процентов. Уже проехали. (Однако, см. PPS к главе 31 — прим. БШ) Есть несколько вариантов теории, которые предсказывают отношение r на уровне 3 — 4 10-3.

БШ — Так это ровно то, что называл Алексей Старобинский для своей модели — полпроцента!

АЛ — Да, но тут не только его модель, что само по себе является удивительным. Например, Михаил Шапошников с Федором Безруковым придумали Хиггсовскую инфляцию, где инфлатоном выступает поле Хиггса, но не просто так, а имея неминимальное взаимодействие с гравитацией. Их модель совершенно не похожа на модель Старобинского. А предсказания дает точно такие же. Их точки не просто попадают в ту же область, разрешенную данными, а просто сидят на точках модели Алексея в координтах r — ns (ns — наклон спектра возмущений — прим. БШ). И не они одни. Например, мы с Ренатой Каллош тоже пробовали строить разные потенциалы на основе супергравитации и нашли огромный класс теорий с такими же предсказаниями. Может быть, в этом странном факте заключена какая-то важная подсказка, которую мы пока не понимаем?

 БШ — Дойдут ли наблюдатели до этого уровня?

 АЛ — Возможно. Причем, скорее на наземных установках. Их преимущество перед космическими экспериментами — возможность неограниченного наращивания. Появились новые деньги — поставили новые приемники в дополнение к старым — точность возросла. Правда, подавляюще большинство суперструнных моделей инфляции дают вообще безнадежно малый вклад гравитационных волн — ниже порога регистрации любого мыслимого эксперимента.

 Что касается данных «Планка» — с ними связана довольно драматическая история. Простые и наиболее естественные модели инфляции говорят, что реликтовое излучение должно быть с хорошей точностью гауссовым. (Математически гауссовость определяется как отсутствие корреляций между фазами разложения по ортогональным мультиполям. Физически это означает, что карта возникла как сумма независимых друг от друга возмущений. — Прим. БШ). Тем не менее, существуют модели инфляции с несколькими взаимодействующими друг с другом полями, где гауссовость нарушается. Людей, занимающихся такими моделями много — это достаточно широкая социальная ниша.

 В какой-то момент пошли слухи, что команда WMAP намерила отклонение от гауссовости. Народ из вышеупомянутой ниши взбодрился. Я позвонил одному из членов команды, он сказал, что слышит такое впервые — никаких отклонений они не видят. Мы затаив дыхание ждали результатов «Планка». Жили, как на вокзале — пока не было ответа наблюдателей, рот был заткнут. Наконец в марте прошлого года космологические результаты «Планка» были опубликованы. Практически никаких отклонений от гауссовости, предсказания простейших моделей инфляции подтверждены.

 Люди, занимающиеся сложными моделями инфляции, были несчастны. А для нас — как будто плотину прорвало! Значит можно ничего не бояться и продолжать заниматься тем, что представляется наиболее красивым и естественным.

 БШ — Так пожалуй это и есть главный результат «Планка « на данный момент. В остальном — только уточнение относительно WMAP.

 АЛ — Согласен, это и есть главный результат.

 ————————————-

На этом интервью завершилось без пафосно закругляющегося конца, поскольку оба устали — Андрей устал говорить, а автор, принципиально не пользующийся электронной записью, устал воспринимать и фиксировать сказанное закорючками на бумаге.

Вся картина, ее свет и тени

 Попробуем просуммировать сказанное. Начнем с того, что нового мы знаем о нашей Вселенной в свете теории космологической инфляции.

 Ее размер скорее всего конечен, но несомненно огромен. Формально для него мы можем лишь дать нижний предел: в сто раз больше, чем расстояние до горизонта. Мы знаем это из современных измерений кривизны Вселенной. Но в сто раз больше — это крайне маловероятно: скорей в миллиарды или, скажем, на 20 или на 50 порядков больше. Мы понимаем это из характера космологической инфляции: это — экспоненциальный процесс. Ее продолжительность неизвестна и до какой-то степени случайна, а продолжительность стоит в показателе степени. Если для создания Вселенной размером с ее наблюдаемую часть инфляция должна была продолжаться, по меньшей мере, 10-35 секунды, то при времени раздувания 2 10-35 секунды ее размер будет на 30 порядков больше наблюдаемого (цифры приблизительны). То есть мы с подавляющей вероятностью видим лишь «микроскопическую» часть Вселенной

 Экспоненциальность инфляции говорит и о том, что за горизонтом — то же самое, что мы видим: такая же крупномасштабная структура, такое же соотношение между обычной и темной матерями и темной энергией. По крайней мере, наш пейзаж скорее всего продолжается на расстояниях несравненно больших, чем размер горизонта. Однако нельзя дать голову на отсечение, что Вселенная вся одинакова. На момент инфляции вакуум всей Вселенной, и целого огромного куста вселенных был одним и тем же — одного происхождения (см. выше аргумент Алексея Старобинского). Но если этот вакуум подвержен фазовым переходам с образованием разных доменов (как в том же ферромагнетике), то могут появиться области с разной физикой, отделенные друг от друга доменными стенками с огромной плотностью энергии (к том же движущимися с околосветовой скоростью). Но мы не знаем — так ли это, просто надо допускать и такую возможность, связанную с неизвестной нам физикой недоступных энергий. Огромный размер Вселенной и ее однородность — хорошо обоснованное предположение, тогда, как домены и прочая экзотика скорее относятся к теневой стороне картины — это ближе к научным гаданиям.

 Мы хорошо понимаем, откуда взялась структура Вселенной — стенки, пустоты (войды), сверхскопления, скопления галактик, сами галактики. Это опять же результат инфляции, точнее, микроскопических квантовых флуктуаций во время инфляции. Понятно, как эти флуктуации растянулись в пространстве, как выросла их амплитуда — это все хорошо считается и результат соответствует тому, что мы видим в современной Вселенной и тому, что мы видим на карте реликтового излучения. Здесь все концы с концами великолепно сходятся, хотя был драматический момент, когда казалось, что их не свести. Напомним, что важную роль в сведении концов сыграла темная материя, которую мы также наблюдаем в галактиках по их динамике и по гравитационному линзированию. Мы неплохо знаем свойства темной материи и точно знаем, сколько ее есть во Вселенной, но не знаем, как она связана с обычной материей.

 То же самое с темной энергией. Мы точно знаем ее плотность, знаем, как она влияет на Вселенную и в будущем сможем уточнить ее состояние — это вакуум или меняющееся скалярное поле. Но мы опять не знаем, как связана темная энергия с известными частицами и полями. То есть мы прекрасно видим темную материю и темную энергию, понимаем их роль важнейших элементов конструкции Вселенной, но не знаем, из чего они сделаны.

 Кроме объяснения структуры Вселенной, инфляция дает ключ к пониманию ее происхождения. Теперь мы можем довольно четко ответить на часто задаваемый вопрос «что было до Большого взрыва?». Правильный ответ — была космологическая инфляция. Именно благодаря ей Вселенная и возникла. А что было до инфляции?

 В принципе, для того, чтобы инфляция сделала свое дело, достаточно 10-35 секунды. Но она могла продолжаться сколько угодно времени — это следует из очень простых соображений. Мы можем продолжать время назад пока есть классическое пространство-время, а в процессе инфляции оно существует. Правда, когда-нибудь мировая линия, протянутая назад через Большой взрыв, назад сквозь инфляцию, упрется в планковское состояние (или сингулярность, если пользоваться терминами классической теории), где понятие времени теряется. То есть цепочка вопросов — а что было до того, что было еще раньше — рвется. Исчезает это «раньше». Как далеко по времени назад от Большого взрыва можно провести эту самую мировую линию? Может быть до 10-30 секунды, что с точки зрения инфляции есть огромное время. А может быть до миллиардов лет. Каждая мировая линия, протянутая назад, конечна, но повидимому всегда найдется другая, уходящая дальше в прошлое. Это и есть математическое определение бесконечности, в данном случае — бесконечного прошлого. О бесконечном будущем мы уже писали. Впрочем, это уже скорее из области фантазий. Чтобы делать обоснованные утверждения в данном случае, нужна квантовая гравитация, которой по сути нет.

 Мы уверенно говорим о космологической инфляции, не зная многих важных вещей. Мы не знаем, что такое мотор инфляции — инфлатон. Это должно быть некое скалярное поле, но мы его не можем ощутить и исследовать, не можем родить квант этого поля, подобно бозону Хиггса, поскольку его масса должна быть огромной.

 Впрочем, есть еще модель Старобинского, в которой никакого специального инфлатона не нужно. Это еще одно из ее преимуществ. Напомним, там условие для инфляции создает кривизна пространства, деформирующая вакуум подобно эффекту Казимира, от чего у него появляется большая плотность энергии. Чтобы дать старт инфляции, на языке модели Старобинского нужна большая достаточно однородная кривизна пространства в некоторой области. На языке инфлатона нужно поле с высоким значением, достаточно однородное в такой же области. Дальше все идет одинаково.

 Конечно — физическая основа инфляции остается тенью в нашей картине мира: мы не знаем, какая именно физическая сущность играет роль ее мотора. Тем не менее, большинство физиков уверены, что такая сущность есть, и сделала работу, часто приписываемую Богу — создание Вселенной среди бесконечного множества других вселенных, как похожих на нашу, так и совершено невообразимых. Почему мы уверены в теории инфляции?

 — Теория хорошо и просто отвечает на тяжелые, почти метафизичские вопросы про исключительную точность и сбалансированность «начального толчка», давшего жизнь большой однородной Вселенной. Слишком хорошо, чтобы оказаться неверной. Она же великолепно объясняет происхождение затравочных неоднородностей из которых возникли галактики и крупномасштабная структура.

 — Теория находит подтверждение в современных данных по реликтовому излучению — не только в первом приближении (спектр флуктуаций почти плоский), но и во втором — спектр все-таки чуть-чуть отличается от плоского именно так, как предсказывается.

 — Современное ускоренное расширение Вселенной воочию показывает, что механизм инфляции работает, мы его непосредственно наблюдаем, правда, совсем в другом масштабе.

 — Конкурирующие теории существуют, но все они требуют натяжек, и ни одна из них не может сравниться с теорией инфляции в простоте и естественности.

 Можно ли считать теорию признанной окончательно и бесповоротно? Здесь мнения расходятся. Кто-то считает, что аргументов за нее более чем достаточно. Кто-то считает, что давать Нобелевскую премию за теорию инфляции еще рано — надо подождать открытия реликтовых гравитационных волн. И обязательно найдется какой-нибудь новый фред хойл, который откажется принимать теорию инфляции до гробовой доски.

 Итак, теория инфляция объясняет, откуда взялась Вселенная, и ее неоднородности, эволюционировавшие в наблюдаемую структуру. Что она может сказать по поводу других вселенных?

 То, что эти другие вселенные могут существовать, следовало допустить уже тогда, когда Вселенная получила статус физического объекта, описываемого уравнениями общей теории относительности. Настойчивый намек на огромное число вселенных дал антропный принцип — способ осмыслить тот факт, что физические константы удивительно хорошо подогнаны под существование жизни. Причем этот принцип намекал не только на то, что вселенных очень много, но и на то, что они разные, с разными физическими константами. И вот, теория инфляции прямо показывает, как это бесконечное множество вселенных получается: раз стартовав, инфляция не останавливается никогда, плодя новые и новые вселенные.

 Ясная картина заканчивается густой тенью вблизи планковского масштаба. Из этой тени проступает красивая многообещающая конструкция — теория струн, но нет никаких доказательств того, что эта конструкция реальна. Впрочем, не совсем так — теория стала реальной интересной областью математики, обретя собственное существование, не зависящее от физики. Теория струн, в частности, привлекательна тем, что в ней содержится та самая случайность, которая дает почти бесконечное разнообразие вселенных, подводя фундамент под антропный принцип. Это же самое разнообразие, делает невозможным проверку ее предсказаний — мы находимся в одной из 10500 реализаций теории струн, неизвестно в какой.

 Видимо, для того, чтобы высветить эту затененную часть картины мира, потребуется новый прорыв. И еще одна загадка — малая плотность энергии вакуума тоже вряд ли будет решена без нового прорыва. Возможно, кто-нибудь из читателей его дождется.

Вместо эпилога

Внешнее пространство

Писатель, Дурдам Збинь, поднимаясь по бесконечному тоннелю в тесной барокамере, испытывал смешанные чувства. Он выиграл право первым взглянуть во внешнее пространство благодаря книге и снятому по ней фильму «Смерть снаружи», где как раз живописалось это самое пространство и путешествия в нем.

 Пространство было населено исполинскими, но легкими и проницаемыми светящимися космомедузами, которые питались светом Внешиса (эта ласковая аббревиатура была изобретена Дурдам Збинем и являлась предметом его гордости) и испарениями миров, передвигались с помощью магнитных полей, пронизывающих пространство. Эти существа были восхитительно красивы и безобидны, все пространство чуть светилось голубоватым светом мириадов космомедуз.

 Миры, покрытые ледяными панцирями, в несметном количестве совершали шествие вокруг Внешиса. Некоторые были связаны с аттракторами — маленькими черными центрами сильного тяготения, вращаясь вокруг них и вместе вокруг центрального светила. Европиане выходили во внешнее пространство через скважину в ледяном панцире в кораблях с прочной кабиной, заполненной водой под привычным давлением, и передвигались в нем с помощью ядерной энергии.

 Экспедиции европиан достигли ледяной поверхности других миров, и на одной из них они услышали стуки изнутри. Стуки, будучи расшифрованы, оказались мольбой о помощи: в этом мире извергался вулкан и выбросил огромное количество ядовитого жидкого вещества, которое скопилось в куполе, протаявшем во льду. Вещество постепенно растворялось в воде и отравляло весь океан. Его жители уже начали гибнуть. Единственный шанс к спасению этого мира был в помощи извне. Надо было пробить лед над мешком с ядовитой жидкостью, чтобы вода выдавила ее во внешнее пространство.

 А у европиан на борту как раз был мощнейший кумулятивный гиперзаряд, предназначенный для проникновения в другие миры через лед. И они решили использовать его во спасение. Естественно, по законам жанра, оказалось, что у гиперзаряда не работает дистанционный триггер. Поэтому командир приказал всем взлететь на корабле, подорвал заряд вручную и погиб. Фильм, снятый по книге, венчала сцена, в которой скорбящая команда наблюдает огромный газовый фонтан зловонно-зеленого цвета, бьющий из спасенного мира.

И вот, автор всего этого, испытывая смешанные чувства, поднимался по скважине, чтобы первым увидеть внешнее пространство. Чувства были смешанными, поскольку с одной стороны, это было захватывающе интересно самому. С другой стороны, он понимал, что участвует в постановке, в которой ему надлежит сыграть роль шута: наверняка рабочие и технари уже все видели, но молчат ради сценария, в котором от него требовалось лишь сморозить какую-нибудь глупость на публику. А сами будут потешаться!

 И Дурдам Збинь думал, что же он скажет. Ну, шут так шут, но он должен хорошо сыграть роль. Может быть, там лишь непроницаемая тьма. Но сказать что-то надо, ведь миллионы хотят услышать от него хорошие важные слова. У него в голове крутилось фраза: один беглый взгляд — прозрение всего Мира, но изречение казалось слишком напыщенным и глуповатым. Надо что-то попроще. Что-то попроще…

 Раздался металлический грохот. Барокамера остановилась. Жидкость вокруг, вскипела и вскоре исчезла. Остались только стенки тоннеля, между ними и барокамерой — жуткая пустота. Камера медленно продолжила подъем. Выключилось электрическое освещение, но остался слабый свет, и это точно был свет снаружи. Режиссер сказал через наушники, что трансляция включена. А свет снаружи становился чуть ярче. Что же сказать?! Сейчас он увидит… И он увидел!

 — Саарссыынь ооххрясснаая!

 — Ээ-э! Трансляция включена, миллионы слушают, дети слушают, как можно! — закричал в наушниках режиссер.

 — Дурдам, Збинь, кажется, увидел нечто о-очень необычное… — смущенно промямлил ведущий.

 — Сейчас, сейчас, извините… — тряся головой, отреагировал Дурдам Збинь — Он огромный! Он просто гигантский и потрясающий. Как огромная чаша, огромная полосатая чаша!

 — Кто он, что за чаша?

 — Это должен быть Большой аттрактор — как раз там. Потрясающе!

 — Почему чаша? Он должен быть шаром.

 — Да, похоже, шар — граница нерезкая. Наверно я вижу только освещенную часть. Но он не просто полосатый! Там вихревые дорожки, как след подкрашенной струи гоночного снаряда — чудесные завитки, а еще овальные пятна между дорожками. Это невозможно объяснить! Все такое огромное! Это надо видеть!

 — А какого он цвета?

 — Там все цвета, только не яркие, приглушенные. Бежевый, бурый, красноватый, голубоватый. Овальные пятна почти белые. А там еще желтый полукруг маленький… О! это не просто полукруг, это шарик — нижняя освещенная половина желтая, верхняя — черная на фоне Аттрактора. И какие-то темные крапины на нем. Это наверно и есть Первый мир.

 — Зритель задает вопрос: «А как там насчет космомедуз?»

 — Не надо смеяться над старым честным писателем (он чуть было не сказал «дураком»). Я старался, как мог, и не думал, что придется отдуваться… Впрочем, погодите, там что-то есть… Точно! Са… Ого! Огоньки! Много! Очень много. Как люминетки в брачный сезон — их мириады! Тоже есть яркие, но гораздо больше слабых. Только они жестче люминеток. Везде-везде, а в этом окне особенно — еще больше. Что это такое?! Они не движутся. А там, где темная часть Аттрактора их нет ни одной. Они наверно все дальше его, много дальше… Подождите, дайте придти в себя. Дайте посмотреть на все это молча!

 На этом мы оставляем Дурдам Збиня с его потрясением. Ему еще предстоит обратить внимание на бледно-серебристую, всхолмленную белыми ровными грядами внешнюю поверхность Мира и рассказать о ней.

 На этом мы также оставляем и европиан в целом, не потому, что их дальнейшая история не интересна, как раз наоборот. Просто их дальнейший процесс познания Вселенной в общих чертах повторяет наш.

 Благодаря своим «дальнозорам» на твердой поверхности, но без атмосферных помех они сразу перескакивают почти на уровень «Хаббла» в инструментальном отношении, правда, оказываются пока далеко позади нас по части осмысления увиденного.

 Наша космологическая эпопея, если сравнивать ее с этапами познания окружающего мира вымышленными европианами, скорее аналогична их открытиям Солнца, по еле ощутимому свету, а также Юпитера и галилеевых спутников по движениям ледяного панциря. Это тоже прорыв за край мира, но не столь буквальный, как прокладка скважины через препятствие. Перед нами тоже своеобразный панцирь: эпоха рекомбинации, «сфера» реликтового излучения, по которой мы реконструируем более далекие горизонты. Наш сюжет еще не завершен, зато уже понятно, что осталось, понятно, как сделать последний шаг — увидеть следы гравитационных волн.

 А возможен ли в будущем такой прорыв, когда перед нами разом откроются новые горизонты, словно и мы пробурили какой-то панцирь? История науки показывает, что зарекаться от новых прорывов не стоит. Сейчас мы не видим предпосылок, разве что суперструны, подобно паззлу вдруг сложатся в отчетливую картину. Но, скорее всего, это будет что-то другое, более неожиданное. И это точно не будет прорывом в некое «внешнее» пространство — скорей во «внутреннее» или какое-то еще, для которого рано подбирать эпитет.

 У космологии есть серьезный недостаток: она не зрелищна. Ни разу в ее длинной истории продолжавшейся десятки лет, не было открывшейся панорамы, когда бы у очевидцев вырвалось неконтролируемое восклицание, подобное тому, каким челябинские мужики встретили метеорит. Может быть, отдельные ученые испытали потрясение, например, впервые увидев акустический пик на спектре угловых гармоник реликтового излучения. Тогда появилась громкая метафора «Лицо Бога» или «Улыбка Бога» — это по поводу карты реликта с неоднородностями нужной амплитуды. Но чтобы испытать при этом восторг и потрясение, надо много знать и заранее напрягать голову. Если же внезапно вывалить на неподготовленного человека квинтэссенцию нашей истории, пусть в виде короткого фильма с самыми раскомпьютерными эффектами, реакцией будет скорее ступор, чем потрясение, скорее неприятие, чем восторг.

 Это не значит, что все безнадежно, что современная космология с ее панорамой останется достоянием лишь горстки яйцеголовых. Конечно, современная картина мира во всей ее красе доступна меньшинству. Но это меньшинство составляет многие миллионы. То же самое можно сказать про серьезную музыку, настоящую и сложную. Ее восприятие требует постепенных длительных усилий души — усилий с разных сторон, как со стороны исполнителя, так и со стороны слушателя. Эти усилия достойно вознаграждаются.

 Поэтому просьба к тем читателям, кто, словно выковыривая изюм, вычитывал из этой книги лишь эпизоды про европиан, вернуться и попытаться прочесть другие фрагменты. Это усилие окупится не с первой, так со второй или с третьей попытки пониманием того, что такое Вселенная и откуда она взялась вместе с бесконечным числом других, как похожих на нашу, так и совершенно немыслимых.

Борис Штерн: Прорыв за край мира: 2 комментария

  1. Маркс ТАРТАКОВСКИЙ

    СОТВОРЕНИЕ МИРА НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ОДНОРАЗОВЫМ УНИКАЛЬНЫМ АКТОМ, нарушающим основополагающее — причинно-следственные отношения.

    В августе 1958 г. в ущелье на выходе из-под ледника реки Ходжа-Мафрач (Гиссарский хребет, на высоте 4 тыс.м.) во время жуткой ночной грозы я наблюдал шаровую молнию — реальный сгусток энергии несколько больше теннисного мячика, в течении трети минуты блуждавший вдоль скальной стенки, натыкавшийся на её выступы и отскакивавший от них.
    В грохоте грозы взрыва я не услышал, но видел, как сгусток вдруг рассыпался на множество электрических брызг.
    В ужасах той ночи (где мы, семеро, едва уцелели) я никак не выделил этот феномен среди прочих – ущелье едва ли не в каждое мгновение было пронизано десятками молний…
    К исходу грозы повсюду на скалах, окружавших нас, возникли «огни Эльма» — атмосферное электричество, проявившееся на заострениях (минимальные поверхности).

    Со временем, возвращаясь к этому воспоминанию, я понял, что наблюдал в миниатюре взрыв энергетического сгустка, образовавший миллиарды лет назад нашу Вселенную.

    Я не рискую утверждать, что моё предположение о циклах Мироздания – материальном/вещественном и энергетическом — верно. Я утверждаю только, что оно безупречно логично.
    Принцип причинности – базис самого нашего мышления.
    И всё, что выходит за его рамки, вне пределов науки. Случайность – лишь непознанная закономерность.

    Так я самонадеянно комментировал процитированную лектором мысль основоположника марксизма: «История носила бы очень мистический характер, если бы случайности не играли никакой роли. Эти случайности входят, конечно, и сами составной частью в общий ход развития, уравновешиваясь другими случайностями».
    Что и было предъявлено в списке других моих прегрешений при исключении в 1950 г. из университета (философский ф-т).

    Но это – кстати. Здесь важнее то, что выводы «современной космогонии» – Вселенная «возникла из ничего» и, в конечном счёте, ей суждено «превратиться в ничто, в ноль» — не представляются мне убедительными.

    Вселенная, в коей мы обитаем, не может быть «причиной самой себя»; она лишь следствие преобразований некоего – ВНЕ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ — Мироздания.

    Повторю тезисно сказанное в моей гипотезе.
    Если E = MC² и при любой физико-химической реакции вещество превращается в энергию, следующий, за нынешним, цикл очевиден. Масса энергии, во что постепенно превращается всё вещество наличной Вселенной (термоядерные реакции в недрах звёзд) концентрируется (на протяжении неизвестного нам промежутка времени) в единую «вселенскую чёрную дыру».
    Вот в этом сверхплотном комке энергии и происходит, вероятнее всего, обратный процесс – превращение энергии в элементарные частицы: M = E/C².

    Фундаментальный процесс E = MC² по определению не может быть однонаправленным.Если неизбежно исчезновение вещества во временных пределах, отпущенных нашей Вселенной, должен существовать и обратный процесс – возникновение вещества из энергии, превращение «концентрата энергии» в вещество. М = Е / C².
    Наблюдаемое нами рассеивание энергии в пространстве – лишь как бы оболочка несравненно более грандиозного и значимого процесса – концентрации энергии, в конечном счёте, в некий сингулярный объект (лат. singularis– отдельный, особый) – в некий «первоатом», аналогичный тому, взрыв которого примерно 13 млрд лет назад породил нашу Вселенную…

  2. M. Nosonovsky

    Спасибо за интересный текст, прочитал с огромным удовольствием. В повествовании разбросано множество мыслей и сведений. Идеи инфляционной космологии пока еще не стали общеизвестным достоянием, поэтому такая популяризация очень нужна…

    Правда, некоторое смешение стилей. Фантастический рассказ про живущих подо льдом европеан — отдельное замечательное произведение. Но читая про всех этих Дурум-дуромов Збиней невольно думаешь, что у автора очень развита фантазия, а не является ли инфляция тоже… фантазией?.. И вот это фамильярно-междусобойное «Слава» Муханов, «Саша» Виленкин немного режет глаз в тексте про серьезные вещи…

    Сам предмет иногда остается не до конца объяснен, скажем, что такое «инфлатон»? Инфляция происходит из-за гравитационного взаимодействия, или же это какая-то пятая, совсем отдельная сила? Также про квантовые флуктуации и про энергию вакуума читателю не-физику не все понятно. Или вот реликтовые гравитационные волны, про наблюдение которых говорит автор. А как их можно наблюдать, из текста не ясно; все наслышаны об интерферометре ЛИГО и его запредельной чувствительности. А что кроме обычных с огромным трудом наблюдаемых волн еще есть реликтовые, которые можно обнаружить без интерферометра?… Сама идея экстраполировать законы природы, обнаруженные на одном масштабе, на совсем другие порядки (автор говорит о размерах на 30-50 порядков больше всей обозримой вселенной), заглянуть за горизонт природы в принципиально ненаблюдаемое требует какого-то осмысления.

    Но текст при всех недостатках замечательный и заставляющий задуматься, спасибо автору и журналу!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math